Chapter 6: Conclusion and Future work
6.2 Future Work for Research
Las dos primeras etapas ya han si tratadas en las secciones anteriores, así como tam- bién parte de la tercera etapa. Al contar con el dibujo de los ensambles y de las partes, y al tomar la decisión sobre que partes se de- ben manufacturar solo hace falta el listado de materiales.
Con las medidas de los moldes se calcula que la cantidad de material requerido para la elaboración de los mismo. Se adquirieron 2 bloques de aluminio de 101.6x200x25.4mm para maquinar los moldes y una barra redon- da de diámetro 31.75mm y 200mm de largo para el corazón del molde de la cámara. Los bloques fueron sujetados a una prensa y cortados con arco y segueta para obtener piezas de trabajo con mediadas cercanas a
las de las partes de los moldes. También se utilizó una cierra cinta con prensa integrada para constar algunos bloques.
Para el moldeo se ha calculado que el vo-
lumen de la cámara es de 14.98cm3 y el
correspondiente al elemento de sujeción de
4.53cm3, por lo que se estima que para cada
prototipo completo se requieren al menos
20cm3 de PP, más el residuo que pueda per-
manecer en el bebedero.
3.6.2. Planeación de la
producción
Algunas actividades de esta etapa ya han sido cubiertas en secciones previas de modo que en esta parte se complementan los especificaciones previamente estable- cidas y se detallan los elementos de los procesos a efectuar.
Las piezas de los moldes se han dividido de acuerdo al tipo de proceso que se re- quiere para crearlas. La mayor parte se han catalogado para su maquinado mediante el fresado. Únicamente el corazón del mol- de para la cámara se destina al maquinado por torneado.
3.6.2.1. Fresado
La mayor parte de las herramientas re- queridas se utilizan en el fresado. Para el torneado solamente se utiliza un buril y para el taladrado dos brocas de diámetros de 1/4” y 1/8”. En la tabla 3.1 se presenta la lista de cortadores verticales y sus caracte- rísticas, usados en el fresado.
Para el proceso de fresado se utiliza una Fresadora CNC marca Challenger modelo MM430 del Laboratorio de Tec- nología Avanza de Manufactura de la Universidad Tecnológica de la Mixteca. Las características principales de esta máquina herramienta son:
• Velocidad máxima del usillo: 8000 rpm • Carrusel de 16 herramientas con cambio
automático
• Lenguaje de programación: Fagor • Sin anclaje al piso
• 3 ejes de desplazamiento
La realización del fresado en una máqui- na de fresado CNC es particularmente útil en el maquinado de formas en las que se deben controlar dos o tres ejes simultánea- mente. La trayectoria de la herramienta es
controlada por datos numéricos que pue- den ser generados a través de un software de computadora. Existen diferentes tipos de códigos o lenguajes de programación para el control numérico y éste varia depen- diendo de la máquina utilizada
El modelado y generación de los códigos numéricos (comúnmente referidos como programas) para este proyecto se realizaron mediante el software llamado Visi versión 15. El primer requerimiento es tener un mo- delo de la pieza a maquinar, el cual se crea con ayuda de las herramienta de di- bujo del propio software. Posteriormente se debe utilizar el administrador de ope- raciones (operation manager) dentro del programa para determinar la estrategia de maquinado y las condiciones de corte. Para generar el conjunto de códigos de control numérico se emplea una herramienta lla- mada post-procesador. El post-procesador transforma la información generada en un archivo de datos codificados en base a un lenguaje o código de programación que pueden interpretar la máquina fresadora. El software empleado genera archivos co- dificados mediante un lenguaje llamado Fanuc, mientras que la fresadora utilizada solo puede comprender el lenguaje Fagor. Los archivos generador fueron modificados manualmente de modo que fueran asimila- bles para la máquina.
Aún cuando se cuenta con la ayuda del software, es necesario determinar ciertos valores para las condiciones de corte al
Tabla 3.1 Listado de cortadores para fresadora utilizados
Diámetr o Diámetr o del Zanco
Longitud de Corte Longitud Total
Material
For
ma
Gavilanes
Marca Observaciones
1/64 1/8 0.04 1 1/2 Carburo Plano 2 M.A. Ford 1/64 1/8 0.04 1 1/2 Carburo Plano 4 M.A. Ford
1/16 3/16 3/16 2 1/4 Acero A.V. Plano 2 TTC 2 Puntas 1/16 1/8 3/16 1 1/2 Carburo Bola 4 TTC
1/4 3/8 1 1/4 3 1/16 Acero A.V. Plano 2 TTC Especial para aluminio 1/4 1/4 3/4 2 1/2 Carburo Bola 4 TTC
existir factores que una computadora no puede valorar.
La velocidad de rotación del cortador está determinada por su diámetro exterior a tra-
vés de la fómula[2]
(3.4) donde
N= Velocidad de rotación (rev/min) v= Velocidad de corte (m/min) D= diámetro del cortador
En avance se determina como el avance por diente cortante y se puede convertir en ve-
locidad de avance utilizando[2]
(3.5) donde
fr= Velocidad de avance (mm/min) N= Velocidad del usillo (rev/min) nt= número de dientes en la fresa f= Carga de viruta (mm/diente)
Mediante las formulas 3.4 y 3.5 para las con- diciones de corte del fresado y con datos extraídos de la tabla de avances y velocida- des para maquinado de aluminio, y la tabla de avance por diente recomendado para maquinado con cortadores de acero de alta velocidad del Machinery’s Handbook se cal- cularon la condiciones de corte para cada herramienta a emplear. Los datos obtenidos se muestran en la tabla 3.2
Se observa en la tabla que los valores reque- ridos para la mayoría de las herramientas son inalcanzables con el equipo disponible y se considera que difícilmente exista una máquina capaz de proveer 150000rpm o
desplazamientos a 120000mm/min. Se con- sultaron algunas fuentes adicionales, pero los valores sugeridos son mayores y los cál- culos arrojan datos aún más elevados.
3.6.2.2. Taladrado
El taladrado se empleará como un proceso auxiliar, para él que sólo será necesario de- terminar las condiciones de corte.
La velocidad de rotación de la broca está determinada por su diámetro a través de la
fómula 3.4 donde, en este caso,D represen-
ta el diámetro de la broca.El avance puede
convertirse en velocidad de avance lineal mediante la fórmula:
(3.6) donde
fr= Velocidad de Avance (mm/min) f= avance (mm/rev)
De acuerdo con la tabla de avance y velo- cidades para taladrado, careado y roscado en metales ligeros de Machinery’s Handbo- ok el avance de la herramienta debe ser de 0.7874mm/rev, mientras el valor de la velo- cidad de corte debe ser de 118.87m/min. Usando la formula 3.4 se determina que la velocidad del husillo con una herramien- ta de diámetro de 1/4” correspondiente es de 595.86rpm y la velocidad de avance se establece en 469.18mm/min utilizando la fórmula 3.5. Para las cavidades de 1/8” de diámetro los valores calculados son 1191.32rpm como velocidad del husillo y 9383.69mm/min como velocidad de avance.
Diámetro
(mm) Material Gavi-lanes
Velocidad de Corte (m/min) Avance por Diente (mm/diente) Velocidad del Husillo (rpm) Avance (mm/min) 0.396875 Carburo 2 188.976 0.2032 151566.44 61596.60 0.396875 Carburo 4 188.976 0.2032 151566.44 123193.20 1.5875 AAV 2 50.292 0.1016 10084.06 2049.08 1.5875 Carburo 4 188.976 0.2032 37891.61 30798.30 6.35 AAV 2 50.292 0.1016 2521.01 512.27 6.35 Carburo 4 188.976 0.2032 9472.90 7699.57 12.7 AAV Recubierto 4 50.292 0.1016 1260.51 512.27
N = vD
f
r=Nn
tf
Tabla 3.2 Condiciones de corte para el fresado
3.6.2.3. Torneado
La maquinaria empleada en el proceso de torneado es un Torno Universal marca Trens Modelo SN32 y la herramienta empleada consta de un buril de Acero de Alta Veloci- dad (AAV) y una broca de 1/8” (3.175mm) de diámetro. Para determinar las condiciones de corte se emplean los datos de la tabla de Avances y Velocidades de Corte para Tor- neado de Metales Ligeros del Machinery’s Handbook.
La velocidad de rotación en el torneado
esta dada por[2]
(3.7) donde
N= Velocidad de rotación (rev/min) v= Velocidad de corte (m/min) D0= Diámetro original de la parte (m)
El avance puede convertirse en velocidad de avance mediante la misma fórmula em- pleada en el taladrado (3.6).
La velocidad de rotación adecuada se cal- cula en 1833.46rpm mientras la velocidad de correspondiente es de 1676.52mm/min calculadas mediante las ecuaciones 3.7 y 3.6 respectivamente.
3.6.2.4. Moldeo por inyección
Para realizar el moldeo por inyección se cuenta con acceso a un máquina inyectora de plástico marca Kawaguchi modelo JEKS- 120 con un sistema hidráulico y capacidad para inyectar hasta 120g de material. Conun peso específico de 0.91g/cm3 para el
polipropileno y un volumen calculado de
14.98cm3 y 4.53cm3 para las dos diferentes
piezas a moldear, se estima que se inyec- tarán 16.63g y 4.12g de polímero en cada proceso correspondiente.
El proceso de moldeo por inyección se ini- cia con el molde abierto y la máquina lista para un nuevo ciclo. Los etapas del proceso se presentan a continuación.
1) Se coloca el molde y se sujeta. 2) El moldeo se cierra a presión
Figura 3.12 Torno TRENS SN32
Figura 3.13 Inyectora de plástico Kawaguchi JEKS-120
N = v
3) Una porción de la fusión se inyecta en la cavidad del molde. El plástico se en- fría y comienza a solidificarse dentro del molde.
4) Se mantiene la presión mientras el ma- terial se enfría
5) El tornillo gira y se retrae con la válvula de no retorno abierta para que fluya el polímero dentro del cilindro, mientras el polímero en el molde se ha solidifica- do por completo.
6) La prensa y el molde se abren y se ex- pulsa la parte moldeada.
7) El molde se cierra y se repite el ciclo. Las principales variables del proceso de in- yección son:
• Velocidad de inyección • Presión de inyección • Presión de sostenimiento
• Tiempo de presión de sostenimiento • Cambio de presión
• Contrapresión
• Velocidad de giro del usillo • Temperatura de molde • Tiempo de enfriamiento • Temperatura de masa fundida
• Temperatura de alimentación del barril Muchas de estas variables requieren que se realice el proceso de inyección para poder calcularse y algunas sólo pueden medirse mediante el uso de equipo especial, con el que no se dispone para este proyecto. El resto se puede determinar empleando datos obtenidos mediante mediciones sen- cillas, fórmulas establecidas y datos del material y el quipo a emplear.
La velocidad del usillo provoca la plastifi- cación del material y se puede calcular en base a la velocidad superficial y al diámetro
del usillo mediante la fórmula:[21]
(3.8) donde
v= velocidad superficial (mm/s) D= diámetro del usillo (mm)
La velocidad superficial óptima para la in- yección de PP es de 750mm/s y la máxima
permitida es de 850mm/s. Para un usillo de 22.10mm de diámetro la velocidad de rota- ción adecuada es de 648.14rpm y la máxima permitida es de 734.56rpm
La temperatura de alimentación recomen- dada para el polipropileno es de entre 20 y 30º C.
El volumen teórico de inyección representa alrededor del 90% del volumen real y se cal- cula como:
(3.9) donde
d= diámetro del usillo (cm) i= carrera máxima del usillo (cm)
El volumen teórico de una inyectora con un usillo de 22.10mm de diámetro y una carrera
de 28cm es de 107.40cm3. Debe considerar-
se que a temperatura de plastificación la densidad de los materiales es menor, por lo tanto, si la densidad de PP se reduce has-
ta 0.712g/cm3 el tamaño de disparo es de
76.47g
El factor más importante de la unidad de cierre es precisamente la fuerza de cierre. Ésta se puede calcular multiplicando el área proyectada de la pieza por el factor de
toneladas por cm2 correspondiente al ma-
terial. El área proyectada de la Cámara de
Impulsión es de 28.66cm2 y la del Elemen-
to de Sujeción es de 9.66cm2; la presión de
cierre por cm2 recomendada es de entre
0.233 y 0.388ton/cm2, por lo tanto se requie-
ren de presiones de cierre desde 6.68 hasta 11.12ton para la primera y desde 2.25 hasta 3.74ton par el segundo.
Una de las características más importantes que debe tomarse en cuenta para el moldeo es la contracción. Los polímeros tienen altos coeficientes de expansión térmica, y duran- te el enfriamiento ocurre una contracción significativa del plástico en el molde. Des- pués de la inyección en el molde, algunos termoplásticos experimentan contracciones cercanas al 10% en volumen. La contracción de los plásticos cristalinos tiende a ser ma- yor que la de los polímeros amorfos.
N = 60 vD
V
t=
d
2i
Las dimensiones de la cavidad del molde de- ben ser mayores a las que se especifican en la parte, a fin de compensar la contracción.
Se puede emplear la siguiente fórmula[2]:
(3.10) donde
Dc = dimensión de la cavidad (mm)
Dp = dimensión de la parte moldeada (mm) S = valor de la contracción (mm/mm)
Los factores más importantes que afectan la contracción son la presión de inyección, el tiempo de compactación, la temperatu- ra de moldeo y el espesor de la pieza. Para reducir la contracción se puede introducir una mayor cantidad de material en la ca- vidad al aumentar la presión de inyección, incrementar del tiempo de compactación o acrecentar la temperatura de moldeo. Las partes más gruesas exhiben mayor contrac- ción ya que contienen una alta porción de material fundido.